Wybór odpowiedniego mikrofonu pomiarowego odgrywa kluczową rolę w procesie projektowania systemu pomiarowego. Użycie niewłaściwego rodzaju mikrofonu może prowadzić do uzyskania błędnych wyników, które utrudniają dalszą analizę. W tym artykule poruszę temat wpływu przestrzeni w jakiej znajduje się mikrofon, na otrzymane wyniki, pokazują, dlaczego należy używać mikrofonów w dedykowanym dla nich polu akustycznym. 

Kategorie pola akustycznego

Na początek, zapoznajmy się z trzema rodzajami pól akustycznych. 

Pole swobodne:

​

Swobodne pole akustyczne (Free-field) definiowane jest jako przestrzeń, w której brak jest fal odbitych. W takich warunkach mikrofon pomiarowy odbiera jedynie bezpośrednie fale dźwiękowe, emitowane przez źródło. Takie warunki, możemy otrzymać w przypadku pomiarów hałasu środowiskowego lub w komorach bezechowych. Należy pamiętać jednak , że w praktyce wykonujemy pomiary w polach zbliżonych do pola swobodnego. Pole swobodne w przestrzeni otwartej może być obarczone falami odbitymi od gruntu, lub innymi źródłami dźwięku. W przypadku komory bezechowej, zakres pochłaniania dźwięków zależy od częstotliwości, wpływ ma na to kubatura takiej komory, i długość fal. Z tego względu warunki swobodne otrzymywane są jedynie w ograniczonym zakresie częstotliwości, z pominięciem najniższych pasm.  

Pole ciśnieniowe:
​

Pole ciśnieniowe występuje na powierzchniach przegród lub w małych zamkniętych przestrzeniach, gdzie faza i amplituda fal dźwiękowych są jednakowe w całej objętości. Przykładem takiego pola jest kalibrator akustyczny lub sprzęgacz akustyczny.

Pole rozproszone:

W polu rozproszonym fale dźwiękowe docierają do mikrofonu losowo z różnych kierunków. W tej sytuacji dominują fale odbite, co prowadzi do równego poziomu ciśnienia akustycznego w całej przestrzeni. Przykładem takiego środowiska jest komora pogłosowa lub inne pomieszczenia z długim czasem pogłosu i twardymi powierzchniami o niskim współczynniku pochłaniania dźwięku. W praktyce warunki rozproszone/dyfuzyjne, zakłada się w pomiarach akustyki budowlanej m.in przy czasie pogłosu, izolacyjności akustycznej lub hałasie od wyposażenia technicznego. 

Wpływ mikrofonu na pole akustyczne

Kształt i rozmiar obiektu umieszczony w polu akustycznym, będzie miał wpływ na propagację w nim fali akustycznej. Im wyższa częstotliwości tym krótsza długość fali, dlatego w przypadku wysokich częstotliwości, nawet małe obiekty będą wpływały na jej propagację. Na przykład, zgodnie z normą IEC-61094-4, mikrofon pomiarowy powinien posiadać membranę o średnicy 12,6 mm. W dalszej części artykułu pokażemy, że nawet tak mały obiekt jest realną przeszkodą dla fal w wyższym zakresie częstotliwości.

Przyjrzyjmy się sytuacji, w której mikrofon pomiarowy zostaje umieszczony w komorze bezechowej pod kątem 0° względem źródła o płaskiej charakterystyce częstotliwościowej.

Jeśli źródło generuje falę dźwiękową o częstotliwości 100 Hz, mikrofon ten nie będzie wpływał na tę falę, ze względu na dużą różnicę między długością fali o częstotliwości 100 Hz (która wynosi około 3,4 metra przy prędkości propagacji dźwięku równej 344 m/s) a średnicą mikrofonu wynoszącą nieco ponad 12,6 mm. Jednak w przypadku fali o częstotliwości 10 kHz, długość fali wynosi około 34 mm (przy tej samej prędkości propagacji dźwięku). W tym przypadku średnica mikrofonu staje się istotną przeszkodą, powodującą efekty dyfrakcji fali dźwiękowej.

Rysunek 1 i 2 - Graficzne przedstawienie występowania efektu dyfrakcji w zależności od długości fali akustycznej.

Dyfrakcja akustyczna to zjawisko polegające na załamaniu fali dźwiękowej na przeszkodzie/obiekcie, co prowadzi do powstania fal odbitych w postaci wtórnej fali kulistej. Wtórna fala kulista interferuje z falą bezpośrednia na skutek czego zwiększa się amplituda fali dochodzącej do mikrofonu. Skutkuje to zwiększeniem  poziomu ciśnienia akustycznego rejestrowanego przez membranę mikrofonu. Ten efekt wzrasta w miarę skracania się długości fali, co można zaobserwować na poniższym wykresie

Wykres 1 - Wzrost ciśnienia akustycznego spowodowany dyfrakcją w dziedzinie częstotliwości, dla mikrofonu z membraną o średnicy ½ cala.

Ustawienie mikrofonu pod kątem 45° lub 90°

Zwiększająca się częstotliwość i skracająca się długość fali akustycznej prowadzą do wzrostu efektu dyfrakcji, co generuje pewien błąd pomiarowy, który jest bezpośrednio związany z obecnością mikrofonu w przestrzeni pomiarowej. Rozmiar tego błędu zależy od ustawienia mikrofonu w polu pomiarowym oraz od jego wymiarów. Aby zminimalizować wzrost ciśnienia, warto umieścić mikrofon pod kątem 45° lub 90° względem źródła dźwięku. Skutki takiego ustawienia przedstawione są na wykresie 2.

Wykres 2 - Występowanie błędu spowodowanego efektem dyfrakcji w zależności od kąta umieszczenia mikrofonu.

Mikrofony z membraną ½” i ¼”

Z powyższych wykresów widać, że rozmiar mikrofony o średnicy membrany ½ “ będzie powodował odchylenie rzędu 4 dB dla 10 kHz. Jest to spowodowane długością fali akustycznej i średnicą mikrofonu. W związku z tym, stosowanie mikrofonu o mniejszej średnicy membrany, na przykład ¼ cala, przesuwa wzrost ciśnienia akustycznego w wyższy zakres częstotliwości, co daje więcej elastyczności w słyszalnym zakresie pomiarowym. Porównanie wykorzystania mikrofonu o średnicy membrany ½ cala i ¼ cala przedstawione jest na poniższym wykresie.

Wykres 3 - Występowanie błędu pomiarowego spowodowanego efektem dyfrakcji dla mikrofonu z membraną ½ cala i ¼ cala.

Wzrost ciśnienia akustycznego, wynikające z efektu dyfrakcji, wymaga zastosowania specjalnych mikrofonów przystosowanych do pracy w określonym polu, które redukują wpływ tego błędu. Przykład ten ilustruje, jak ważny jest odpowiedni wybór mikrofonu z uwzględnieniem charakterystyki pola akustycznego.

Klasyfikacja mikrofonów pomiarowych

W poprzednim rozdziale omówiliśmy wpływ obecności mikrofonu w obszarze pomiarowym oraz metody redukowania błędów pomiarowych. W niniejszym artykule skoncentrujemy się na opisie różnych rodzajów mikrofonów pomiarowych, które pozwalają na eliminację błędów i zniekształceń.

Mikrofony ciśnieniowe

Mikrofony pola ciśnieniowego zostały specjalnie skonstruowane do rejestrowania całkowitego ciśnienia akustycznego oddziałującego na ich membrany. W związku z tym, umieszczenie ich w polu swobodnym może prowadzić do zniekształceń spowodowanych dyfrakcją fal dźwiękowych. W związku z tym, mikrofony ciśnieniowe umieszcza się na granicy przegród lub w zamkniętych przestrzeniach, w których efekt dyfrakcji jest minimalny.

Rysunek 3- Mikrofon ciśnieniowy zamontowany w przegrodzie pod kątem 0° do źródła dźwięku

Mikrofony pola swobodnego

Opisane wcześniej zniekształcenia wynikające z dyfrakcji fal stanowią główne wyzwanie podczas dokonywania pomiarów. Mikrofony pola swobodnego zostały stworzone z myślą o eliminowaniu tych zniekształceń i wyrównywaniu charakterystyki częstotliwościowej. Proces ten polega na zwiększeniu wewnętrznego tłumienia wkładki mikrofonu, co obniża jego czułość w miarę wzrostu ciśnienia akustycznego wywołanego lokalnymi interferencjami.

Rysunek 4 - Mikrofon pola swobodnego umieszczony pod kątem 0° do źródła dźwięku.

Wartość korekty jest obliczana na podstawie pomiarów przeprowadzonych w polu swobodnym przy użyciu danego mikrofonu oraz źródła o znanej charakterystyce częstotliwościowej. Sygnał wygenerowany przez źródło (uwzględniający efekt dyfrakcji) jest rejestrowany przez mikrofon, a następnie porównywany z znaną charakterystyką częstotliwościową źródła dźwięku. W ten sposób oblicza się wartość korekty, co pozwala uzyskać rzeczywiste wartości pozbawione błędów pomiarowych (Wykres 4). Należy zaznaczyć, że wartość ta jest związana z konkretnym kątem pomiarowym, więc zmiana kąta wymaga obliczenia nowej korekty.

Wykres 4 - Błąd pomiarowy wynikający z efektu dyfrakcji (krzywa niebieska), poprawka korygująca błąd pomiary (krzywa czarna) i skorygowany wynik pomiarowy (krzywa czerwona) w funkcji częstotliwości.

Mikrofony pola rozproszonego

W polu rozproszonym fale dźwiękowe docierają do mikrofonu z różnych kierunków. Podobnie jak w przypadku pola swobodnego, dyfrakcja fal może wprowadzać błąd pomiarowy, choć charakteryzuje się innymi wartościami niż w polu swobodnym. Dlatego mikrofony wykorzystywane w polu rozproszonym muszą uwzględniać korektę obliczoną w warunkach tego pola. Na Ilustracji 5 widzimy wyniki rejestrowane przez mikrofon (uwzględniający efekt dyfrakcji), korektę wprowadzoną w wkładkę mikrofonu pola rozproszonego (krzywa czerwona), i finalne wyniki pomiarów (czarna krzywa).

Rysunek 5 - Błąd pomiarowy wynikający z efektu dyfrakcji (krzywa niebieska), poprawka korygująca błąd pomiary (krzywa czerwona) i skorygowany wynik pomiarowy (krzywa czarna) w funkcji częstotliwości.

Różnice w rejestrowanych wartościach

Czułość mikrofonów pola rozproszonego i swobodnego jest odpowiednio skorygowana, aby zminimalizować lokalne wzrosty ciśnienia akustycznego na ich membranach. Efekt dyfrakcji, który jest odpowiedzialny za te różnice, nie występuje w przypadku mikrofonów pola ciśnieniowego. Dlatego mikrofony te nie wymagają stosowania korekty.

Poniższy wykres przedstawia odpowiedzi częstotliwościowe trzech rodzajów mikrofonów rejestrowanych w polu ciśnieniowym przy użyciu akustycznego sprzęgacza. Ten rodzaj pomiaru pozwala na łatwe zauważenie różnic w zarejestrowanych wartościach i konsekwencji niewłaściwego użycia mikrofonu w kontekście pola akustycznego.

Wykres 5 - Zarejestrowane wartości ciśnienia akustycznego w polu ciśnieniowym przez trzy typu mikrofonów: mikrofon ciśnieniowy (krzywa pomarańczowa, mikrofon pola rozproszonego (krzywa zielona), mikrofon pola swobodnego (krzywa niebieska).

Różne kąty padania fali na membranę

Zgodnie z wcześniejszymi wyjaśnieniami, korekta dla pola swobodnego zmienia się nie tylko w dziedzinie częstotliwości, ale także w zależności od kąta, pod jakim fala dźwiękowa pada na membranę mikrofonu. Dlatego właściwe ustawienie mikrofonu pomiarowego odgrywa kluczową rolę w uzyskaniu dokładnych wyników. Wielu mikrofonów pola swobodnego jest dostosowanych do ustawienia pod kątem 0° względem źródła dźwięku. Jeśli niemożliwe jest ustawienie mikrofonu w ten sposób, konieczne jest skorygowanie wartości przy użyciu korekty dostarczonej przez producenta.

Poniżej przedstawiono wartości korekt dla zestawu mikrofonów GRAS 40AE, uwzględniając różne kąty padania fali dźwiękowej na membranę. Poprawki związane z polem swobodnym i polem rozproszonym dla konkretnych mikrofonów marki GRAS dostępne są na stronie grasacoustics.com.

Poniższy wykres przedstawia odpowiedzi częstotliwościowe trzech rodzajów mikrofonów rejestrowanych w polu ciśnieniowym przy użyciu akustycznego sprzęgacza. Ten rodzaj pomiaru pozwala na łatwe zauważenie różnic w zarejestrowanych wartościach i konsekwencji niewłaściwego użycia mikrofonu w kontekście pola akustycznego.

Wykres 6 - Porównanie poprawki korygującej błąd pomiarowy, w zależności od częstotliwości i kąta padania fali akustycznej.